[논문 리뷰] Heterointerface effects in the electro-intercalation of van der Waals heterostructures

D. Kwabena Bediako, Mehdi Rezaee외 8명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 09.

Graphene research and applications참고 문헌 28인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 비극성 베이너스(ve Waals, vdW) 이종계면—특히 그래핀과 모리브덴 디chal코겐화합물(MoX2) 사이의 계면—이 동일한 조건에서 동종계면보다 전하 축적을 10배 이상 향상시킴을 보여주며, 이온 삽입 잠재력이 본질적으로 MoX2보다 최소 0.5 V 더 음성으로 이동함을 확인한다. 작동 중 자기저항도 및 광학 스펙트로스코피, 저온 양자 진동 측정을 통해 연구자들은 원자 척도의 계면 수준에서 삽입 반응을 분석하였으며, 이는 2차원 물질의 에너지 저장 및 (광)전자소자에서 이온 및 전자 행동을 조절하는 데 있어 계면 공학이 매우 효과적인 도구임을 시사한다.

ABSTRACT

Molecular-scale manipulation of electronic/ionic charge accumulation in materials is a preeminent challenge, particularly in electrochemical energy storage. Layered van der Waals (vdW) crystals exemplify a diverse family of materials that permit ions to reversibly associate with a host atomic lattice by intercalation into interlamellar gaps. Motivated principally by the search for high-capacity battery anodes, ion intercalation in composite materials is a subject of intense study. Yet the precise role and ability of heterolayers to modify intercalation reactions remains elusive. Previous studies of vdW hybrids represented ensemble measurements at macroscopic films/powders, which do not permit the isolation and investigation of the chemistry at individual 2-dimensional (2D) interfaces. Here, we demonstrate the intercalation of lithium at the level of individual atomic interfaces of dissimilar vdW layers. Electrochemical devices based on vdW heterostructures comprised of deterministically stacked hexagonal boron nitride, graphene (G) and molybdenum dichalcogenide (MoX2; X = S, Se) layers are fabricated, enabling the direct resolution of intermediate stages in the intercalation of discrete heterointerfaces and the extent of charge transfer to individual layers. Operando magnetoresistance and optical spectroscopy coupled with low-temperature quantum magneto-oscillation measurements show that the creation of intimate vdW heterointerfaces between G and MoX2 engenders over 10-fold accumulation of charge in MoX2 compared to MoX2/MoX2 homointerfaces, while enforcing a more negative intercalation potential than that of bulk MoX2 by at least 0.5 V. Beyond energy storage, our new combined experimental and computational methodology to manipulate and characterize the electrochemical behavior of layered systems opens up new pathways to control the charge density in 2D (opto)electronic devices.

연구 동기 및 목표

• 이질적인 2차원 베이너스(ve Waals) 물질 간의 이종계면이 전기화학적 삽입 거동에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 집합 평균 측정의 한계를 극복하기 위해 개별 원자 계면에서의 삽입 과정을 분리하고 특성화하는 것.
• 그래프와 MoX2(X = S, Se) 사이의 계면 공학이 전하 이동 및 삽입 잠재력에 미치는 영향를 규명하는 것.
• 2차원 이종구조에서 전기화학적 거동을 탐색하고 조작하기 위한 실험적 및 계산적 방법론을 개발하는 것.

제안 방법

• 기계적 분리된 헥사곤형 보로니트라이드, 그래핀, MoX2 층을 사용하여 결정성 있는 vdW 이종구조를 제작하는 것.
• 실시간 전하 축적과 전자적 반응을 모니터링하기 위해 작동 중 자기저항도 및 광학 스펙트로스코피를 적용하는 것.
• 저온에서의 양자 자기진동 측정을 통해 계면에서의 운반자 농도 및 이동도 변화를 추출하는 것.
• 동일한 조건에서 이종계면(G/MoX2)과 동종계면(MoX2/MoX2) 간의 전기화학적 거동을 비교하는 것.
• 실험 관찰의 해석과 지원을 위해 계산 모델링을 적용하여 계면 전하 이동 및 이온 삽입 에너네틱스를 분석하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래프와 MoX2 사이의 이종계면 형성이 MoX2 내 리튬 삽입과 전하 축적 정도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 G/MoX2 이종계면에서의 삽입 잠재력은 본질적 MoX2 또는 MoX2/MoX2 동종계면과 비교해 얼마나 변화하는가?
• RQ3 원자 척도에서의 계면 공학이 2차원 베이너스(ve Waals) 이종구조의 이온 및 전자 이동성에 얼마나 영향을 미칠 수 있는가?
• RQ4 전기화학적 삽입 중 이종계면과 동종계면에서의 양자 진동 및 자기저항 반응은 어떻게 다를까?

주요 결과

• 동일한 전기화학적 조건에서 G/MoX2 이종계면은 MoX2/MoX2 동종계면보다 MoX2 내 전하 축적이 10배 이상 높아짐을 확인하였다.
• G/MoX2 이종계면에서의 삽입 잠재력은 본질적 MoX2보다 최소 0.5 V 더 음성으로 이동하여 이온 삽입에 유리한 열역학적 추진력이 증가함을 시사한다.
• 작동 중 자기저항도 및 양자 진동 측정을 통해 이종계면에서 삽입이 일어난 후 MoX2 내 운반자 농도와 이동도가著명하게 증가함을 확인하였다.
• 광학 스펙트로스코피를 통해 G/MoX2 계면 고유의 전자 전이 및 전하 이동 동역학이 드러나 계면 결합이 강함을 시사한다.
• 실험 및 계산 프레임워크를 통해 개별 2차원 계면에서 전기화학적 삽입 과정의 중간 단계를 직접 원자 척도에서 해결할 수 있었다.